苗风东，赵晓慧，李庆辉

(安阳师范学院 物理与电气工程学院，河南 安阳 455002)

0 引言

随着农业技术的不断发展，温室大棚在我国已经得到了广泛应用，但大多数未采用智能控制技术，自动化程度较低，环境控制能力有限，这在一定程度上影响了温室作物的产量和质量，因此，温室大棚智能控制系统的建立很有必要。我国对于温室控制系统的研究比较晚，综合环境检测技术的研究也刚刚起步，将光伏发电技术实际运用到智能温室中更是少见。我国农业温室发展状况目前仍然停留在研究单个或少量环境调控技术的阶段，而实际上，温室内的光照强度、温度、湿度、CO2浓度等环境因素，都在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响，环境要素的空间、时间变化都很复杂，温室的电源供应也多是采用的市电。目前国外的农业温棚已引入光伏智能温棚技术，其主要在实现温棚智能控制的同时用太阳能电池板作为能源供应。太阳能电池板放置于光伏温棚的顶部，在满足植物生长需要的同时，既能采集光照进行发电，又能作为温棚的外围保护层，具有保温、减少病虫害，抗冰雹、辐射、暴雨、强风等优点。因此我们应该根据我国当代农业状况研制出适合我国农业发展的智能型光伏温棚，并在农业设施中广泛推广[1-3]。

1 光伏温棚的智能控制系统

1.1 系统整体构成

系统包括以数字微控制器为核心的控制平台、光伏电源供电模块以及空气温湿度传感器1、土壤温湿度传感器2、光照强度传感器3、风速传感器4、CO2及O2等气体浓度传感器5、植物病虫害检测传感器6等生态环境检测传感器以及相应的信号采集与处理单元电路，还有数据采集通讯接口和防盗报警、火灾报警、水灾报警等安防报警单元电路，驱动光伏水泵、自动卷帘机、排气扇、加热炉、农药喷洒无人机等执行机构的继电器驱动单元电路，并配备键盘设置电路、LCD显示电路。光伏温棚生态环境检测与控制装置总体原理框图如图1所示。

图1 光伏温棚生态环境检测与控制装置总体原理框图

1)光伏电源供电模块：通过各种电力电子功率变换器将光伏太阳能电源转换成温棚设备所需要的各种电能，保证温棚内用电的正常供应。在天气状况比较好情况下，光伏单元输出功率除了供应温棚内各种交直流负载之外，将剩余能量通过四阶段DC/DC智能充电器储存到蓄电池组中，保证夜间或阴雨天为各种交直流负载提供动力储备。

2)空气温湿度传感器1：通过空气温湿度传感器1实时采集温棚内空气温度、湿度、植物叶面湿度等生态数据信息，然后送给信号采集与处理单元电路1。

3)土壤温湿度传感器2：通过土壤温湿度传感器2实时采集温棚内土壤的温度、湿度、pH值、EC值等参数数据，然后送给信号采集与处理单元电路2。

4)光照强度传感器3：通过光照强度传感器3实时采集温棚内的光照强度等生态数据，然后送给信号采集与处理单元电路3。

5)风速传感器4：风速的变化也是影响植物授粉、生长甚至产量的一个重要生态环境因素，因此温棚内外风速、风向的检测也是必不可少的。本单元模块的主要功能是通过风速传感器4实时采集温棚内外的风速、风向等生态数据信息，然后送给信号采集与处理单元电路4。

6)CO2、O2等气体浓度传感器5：通过CO2、O2等气体浓度传感器5实时采集温棚内CO2、O2等气体浓度生态数据信息，然后送给信号采集与处理单元电路5。

7)植物病虫害检测传感器6：通过植物病虫害检测传感器6实时采集温棚内各种植株上的病毒、虫害、病菌、真菌、细菌、灰酶等病虫害类型及种类等信息，然后送给信号采集与处理单元电路6。

8)信号采集与处理单元电路1：将空气温湿度传感器1实时采集的温棚内空气温度、湿度、植物叶面湿度等生态数据信息，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

9)信号采集与处理单元电路2 ：将土壤温湿度传感器2实时采集的温棚内土壤的温度、湿度、pH值、EC值等参数数据信息，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

10)信号采集与处理单元电路3：将光照强度传感器3实时采集的温棚内的光照强度等生态数据，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

11)信号采集与处理单元电路4：将风速传感器4实时采集的温棚内外风速、风向等生态数据信息，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

12)信号采集与处理单元电路5：将CO2、O2等气体浓度传感器5实时采集的温棚内二氧化碳、氧气等气体浓度生态数据信息，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

13)信号采集与处理单元电路6：将植物病虫害检测传感器6实时采集的温棚内各种植株上的病毒、虫害、病菌、真菌、细菌、灰酶等病虫害类型及种类等信息，转换成相应的电信号，通过数据采集通讯接口上传给以数字控制器为核心的控制中心。

14)数据采集通讯接口：将各信号采集与处理电路采集到的温棚内生态环境数据信息通过各种通讯方式实时上传给控制中心。数据采集通讯接口的通讯方式灵活多样，可以根据实际情况具体选择。数据信息能够通过RS232、USB、I2C等通讯接口实现多种数据的实时通讯，也可以通过TCP以太网、GPRS无线通讯等网络方式将数据上传到控制中心[4-5]。

15)键盘设置电路:通过键盘输入设定，可以设定温棚内生态环境参数的上下限阈值，还可设定系统在自动、手动等不同工作模式下的设置。

16)安防报警单元:当温棚内出现被盗、火灾、水灾等异常情况时，控制中心立即通过开关S11、S12、S13启动防盗报警、火灾报警、水灾报警等安防报警装置，发出语音报警提示，并通过自动拨打电话、发送信息通知值班人员，轻松实现温棚的无人值守。

17)越线故障报警单元:当采集到的生态环境数据超过控制中心设定的阈值上下限时，越线故障报警电路分别通过开关S21、S22、S23、S24、S25产生相应的温度语音报警、湿度语音报警、气体浓度语音报警、光照强度语音报警以及病虫害语音报警，并通过LCD显示电路显示出来。

18)驱动及继电器执行机构电路:当控制中心根据阈值算法进行比较并判断系统出现越线故障报警时，自动快速地通过继电器、电磁阀驱动电路，控制开关S31、S32、S33、S34、S35分别接通加热炉、光伏水泵、排气扇、卷帘机、农药喷洒无人机等执行机构改善温棚内的生态环境质量，实现温棚内环境参数的自动调节功能，增强了温棚控制的自动化程度。

19)LCD显示电路:第一，实时显示温棚内空气温度、土壤温度、相对湿度、CO2浓度、土壤水份、光照强度、水流量以及pH值、EC值等各生态环境数据信息，供相关人员查看。第二，显示温棚的当前运行状况、故障报警等信息，能够直观地显示温棚“正常”“故障”“报警”等相关信息。

1.2 总体工作原理

系统以数字微控制器为控制中心，利用光伏太阳能电池板发电，通过温湿度、光照强度、气体浓度等各种生态环境检测传感器以及相应的信号采集与处理电路，实时检测采集温棚内生态环境数据，然后通过通讯接口将数据上传到控制中心。控制中心将监控数据存储到内存并通过LCD实时以曲线图形式显示出来，实现自动生成历史相关数据信息曲线图、历史数据自动导出、历史数据查询、数据自动备份等功能。

控制中心对检测到的棚内生态环境数据与标准设定值进行实时比较，当采集到的生态环境数据超过设定的阈值上下限时，越线故障报警电路产生相应的语音报警，随之通过继电器、电磁阀驱动电路，接通加热炉、光伏水泵、排气扇、卷帘机、农药喷洒无人机等执行机构改善温棚内的生态环境质量，实现温棚内环境参数的自动调节功能，增强了温棚控制的自动化程度。

当温棚内出现被盗、火灾、水灾等异常情况时，控制中心立即启动安防报警装置，发出语音报警提示，并通过自动拨打电话、发送信息通知值班人员，实现温棚的无人值守。

1.3 系统特点

1)采用LCD液晶实时显示温棚内温度、湿度、光照强度、通风风速、二氧化碳浓度、病虫害、病毒等参数信息，同时配备防盗报警、火灾报警、水灾报警等安防报警装置，通过LCD屏幕显示报警或语音报警。

2)数据采集通讯接口的通讯方式灵活多样，可以根据实际情况具体选择。该系统能够通过RS232、USB、I2C等通讯接口实现多种数据通讯，还可以通过TCP以太网、GPRS无线通讯等网络方式将数据上传到控制中心。

3)采用光伏水泵进行喷灌，不仅节约大量水资源，同时大大减少了病虫害的发生。

4)针对病虫害异常状况，采用农药喷洒无人机进行农药喷洒，喷洒的农药更加均匀，大大提高了系统的自动化程度和工作效率，减轻了操作人员劳动强度并避免了喷洒对操作人员造成的中毒危险。

2 光伏温棚的智能供电系统

2.1 系统整体构成

系统包括功率主电路和以DSP数字微控制器为核心的控制电路，原理框图如图2所示。

图2 光伏温棚智能供电装置总体供电框图

功率主电路包括Boost升压变换器、DC/DC智能充电器1、市电智能充电器2和DC/AC逆变器。以DSP数字微控制器为核心的控制电路包括信号采集与处理电路1、信号采集与处理电路2、信号采集与处理电路3、信号采集与处理电路4、信号采集与处理电路5、信号采集与处理电路6、驱动电路1、驱动电路2、驱动电路4、驱动电路6、硬件保护电路1、硬件保护电路2、硬件保护电路4、硬件保护电路6、各种参数显示电路以及电磁阀执行机构驱动各种开关动作的执行电路。

2.2 总体工作原理

系统采用两路联合供电设计方案：第一路供电方案包括太阳能电池板+Boost升压变换电路+DC/DC智能充电器1+蓄电池组+DC/AC逆变电路；第二路供电方案包括市电+市电智能充电器2+蓄电池组+DC/AC逆变电路。白天，优先考虑太阳能电池板供电方案，在太阳光照较强时，开关S10闭合，光伏板直接通过Boost升压变换电路、开关S12、开关S18给直流负载供电，或者通过开关S13、DC/AC逆变电路、S11给交流负载供电；当光伏板输出功率大于交、直流负载所需要的功率时，光伏板在给交、直流负载供电同时，将剩余能量通过开关S14、DC/DC智能充电器1、开关S15存储在蓄电池组中。此状态下，通过市电供电的这一路将断开，即开关S21、S22、S23在控制器的控制下是断开的。白天出现阴雨天气或者夜间，当光伏板输出功率较低并且蓄电池组容量较高能够继续维持各种负载正常功率需求情况下，开关S10、S21、S22、S23均断开，开关S12、S14、S15、S16、S18、S19闭合，由蓄电池组给直流负载直接供电，或者通过开关S13、S17、DC/AC逆变电路、S11给交流负载供电；当光伏板输出功率较低并且蓄电池组容量较低不能继续维持各种负载正常功率需求情况下，开关S10、S11、S12、S13、S14、S15、S16、S17、S18、S19均断开，开关S22、S23闭合，由市电通过市电智能充电器2给蓄电池组充电，同时通过开关S21直接给交流负载供电。

以DSP数字控制器为核心的控制中心，通过信号采集与处理电路对各单元模块的电压、电流以及温度等参数进行实时检测计算，然后借助各驱动电路驱动各功率电路中功率开关管的导通与关断，利用各硬件保护电路对各单元模块进行保护，通过驱动各种开关动作的继电器执行电路去控制各开关断开或闭合。

2.3 系统特色及优势

1)系统采用两路联合供电设计方案，分别是太阳能电池板+Boost升压变换电路+DC/DC智能充电器1+蓄电池组+DC/AC逆变电路供电方案、市电+市电智能充电器2+蓄电池组+DC/AC逆变电路供电方案。在节能环保的同时，提高系统的供电可靠性。

2)为尽可能地提高光伏板的发电效率，采用改进的自适应扰动观察法进行最大功率点跟踪控制。

3)蓄电池采用涓流充电、恒电流充电、恒压充电和浮充充电四阶段智能充电方案，优化蓄电池的工作环境，延长蓄电池的使用寿命，降低系统成本，提高系统的经济性能和性价比[6]。

4)在现有的智能充电器基础上，通过谐振网络引入软开关技术，使得电力电子功率开关器件工作在软开关环境下，优化功率开关管的工作环境，在功率开关管的开通关断过程中，电压电流不会出现同时不为零的情形，大大减小功率开关管的开关损耗，提高变换器的转换效率[7]。

5)采用LCD液晶显示，能够显示光伏电源的当前光照强度、输出电压、输出电流、蓄电池充电过程中的充电电压、充电电流、蓄电池的容量、蓄电池的当前温度、已充电时间以及充电还需多长时间等参数，各类信息显示直观明了，方便工作人员了解和控制。

3 光伏温棚网络智能化控制系统

3.1 系统整体构成

系统包括分布于各处的N个光伏温棚智能终端和以数字微处理器为核心的智能总控中心。每个光伏温棚智能终端均包括光伏电源供电模块、生态环境数据实时采集模块、LCD液晶显示模块、无线通讯模块、各执行机构模块。以数字微处理器为核心的智能上位机总控中心包括光伏电源供电模块、无线通讯模块、LCD液晶显示模块、键盘设定模块，系统框图如图3所示。

图3 光伏温棚网络智能化控制系统框图

3.2 总体工作原理

系统采用“终端光伏温棚设备—无线网络—总控中心”即“下位机—无线网络—上位机总控中心”的网络化、群控化智能控制模式。温棚终端与总控中心之间通过无线通讯模块利用无线网络进行实时数据传输、远程命令下达、自动控制等功能，实现多个光伏温棚间的网络化、群控化控制。该系统增强了温棚控制的自动化程度，在利用光伏绿色能源发电节能环保的同时，节约了大量的人力、物力，降低了系统的投资成本，提高了系统的经济性。

每个光伏温棚终端通过光伏电源模块进行供电，利用生态环境数据实时采集模块采集温棚内的空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、通风情况等生态环境参数并在LCD液晶实时显示，同时通过无线通讯模块发送给上位机总控中心，并可在总控中心实时显示和历史查询，然后在总控中心的宏观调控下，控制各继电器执行机构驱动卷帘机、排气扇、加热炉、水泵等进行相应的执行处理。当上位机总控中心出现故障时，各温棚终端脱离上位机总控中心，各温棚终端下位机依然可以工作在现场自动控制模式，通过终端实时采集的温湿度、光照强度、通风情况数据与存储的阈值进行比较，完成温棚的自动控制。

总控中心可通过发送命令或键盘输入设定使各温棚终端工作在远程命令工作模式、现场自动控制模式和手动模式三种不同的工作模式下，完成相关系统参数的设置。总控中心能够对各光伏温棚终端的详细信息、工作状况等进行存储、显示、报警和查询。上位机总控中心将收到的各温棚终端采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并记录。与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵等设备进行降温除湿等操作，以维护温棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知温棚管理人员采取相应措施来确保温棚内的环境正常，从而达到调节温棚内温湿度的效果。

3.3 本系统特色与优势

1)采用“终端光伏温棚设备—无线网络—总控中心”即“下位机—无线网络—上位机总控中心”的网络化、群控化智能控制模式。各温棚终端与总控中心之间通过无线通讯模块利用无线网络进行实时数据传输、远程命令下达、自动控制等功能，实现多个光伏温棚间与总控中心的网络化、群控化控制。该系统增强了温棚控制的自动化程度，在利用光伏绿色能源发电节能环保的同时，节约了大量的人力、物力，降低了系统的投资成本，提高了系统的经济性。

2)各温棚终端能够在总控中心的宏观调控下按既定模式进行自动控制工作，一旦上位机总控中心出现故障时，各温棚终端脱离上位机总控中心，依然可以工作在现场自动控制模式下，通过终端实时采集的温湿度、光照强度、通风情况数据与存储的阈值进行比较，完成温棚的自动控制。

3)总控中心可通过发送命令或键盘输入设定使各温棚终端工作在远程命令工作模式、现场自动控制模式和手动模式三种不同的工作模式下，以及完成相关系统参数的设置，操作模式灵活多样。总控中心能够对各光伏温棚终端的详细信息、工作状况等进行存储、显示、报警和查询。

4)该装置除了各光伏温棚终端采用LCD液晶显示各自的温棚信息外，上位机总控中心也采用LCD液晶显示，将各温棚终端的详细信息、运行状况以表格形式显示出来。同时配备防盗报警、火灾报警、漏水报警等安防报警装置，通过LCD屏幕显示报警或语音报警。在显示故障进行屏幕报警或语音报警的同时，还能够自动拨通电话或者自动发送短信到值班人员手机上，轻松实现多个温棚的无人值守。

4 光伏智能温室大棚的前景展望

光伏智能温室大棚利用光伏技术和智能控制技术以及网络智能化控制技术实现了远距离对棚内空气温度和湿度、植物叶面湿度、土壤温度和湿度及pH值、EC值、光照强度，温棚内外风速、风向、CO2浓度、O2浓度等的自动控制和调节，并根据实际情况自动进行“避雨”、杀虫、灌溉等一系列工作，真正实现农业生产的自动化和智能化，在减轻种植者负担的同时，也提高了农作物的生产效率。而整个系统只需要用大棚上安装的太阳能薄膜电池来供给能量便可运行，无污染且节约能源，也保证了不便接入电网偏远地区的正常使用。

同时，通过参数设置及自动数据记录，可以为农艺工作者完成相关农艺科学研究，了解不同生产条件对作物的生长、品质影响及生产方法的改进，提供简便、准确的手段。

目前，光伏技术和智能控制技术以及网络智能化控制技术在农业生产领域的应用仍处于起步阶段。我国是农业大国，农业生产技术的提高对我国有着重要意义，多学科与农业的融合将是农业发展的一个必然方向。而对于光伏行业来说，将温室大棚透光屋面充分利用，作为光伏发电的建筑基础，可以节约大量的土地资源，有助于实现低成本发电。另外，加强对各类作物生长机理的基础性研究对普及和推广这种光伏智能温室大棚有着重要意义，有助于推动这种温室大棚从概念性展示向实用阶段的发展，真正实现既提高作物品质和产量又兼顾发电的双赢目的。